旋转角反射器阵列对SAR-GMTI的无源遮蔽干扰方法

周 阳，房明星，毕大平，沈爱国

(解放军电子工程学院，安徽 合肥 230037)

旋转角反射器阵列对SAR-GMTI的无源遮蔽干扰方法

周 阳，房明星，毕大平，沈爱国

(解放军电子工程学院，安徽 合肥 230037)

针对SAR-GMTI有源干扰设备的高要求和成本大的问题，提出了旋转角反射器阵列对SAR-GMTI的无源遮蔽干扰方法。该方法利用旋转角反射器的微多普勒调制在方位向上形成干扰条带，通过多个旋转角反射器L形布阵在距离向上形成压制干扰，由于旋转的微动特性，回波信号经GMTI处理后不能被对消，因此该方法对SAR-GMTI具有大面积遮蔽干扰效果。仿真实验表明，该方法能够对SAR-GMTI产生大面积的遮蔽干扰效果。

合成孔径雷达；地面动目标检测；旋转角反射器；微多普勒调制；无源干扰

0 引言

合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)可全天时，全天候对大场景进行高分辨率成像[1]，因而被广泛用于军事侦查等领域。地面动目标显示(GroundMovingTargetIndication，GMTI)技术能够检测和跟踪地面运动目标，在军事领域被运用于发现敌运动军事目标。SAR-GMTI结合了GMTI的运动目标检测和SAR对地面目标高分辨成像的功能，能够实时对地面任意目标进行检测、识别、定位、跟踪和成像，已成为SAR重要的发展趋势[2-3]和先进体制SAR必备的功能。SAR-GMTI的快速发展，对我地面重要军事目标(特别是装甲车、坦克、导弹发射车等运动型目标)的军事部署、作战状态、战时生存等构成了严重的威胁，所以对SAR-GMTI干扰方法的研究十分有意义。

SAR-GMTI通常采用多个通道对杂波和干扰进行抑制和对消，常规的SAR干扰方法很容易被多通道SAR-GMTI所抑制[4-7]，这使得对SAR-GMTI干扰必须有别于SAR干扰。目前，针对SAR-GMTI的干扰技术研究相对较少，主要集中在有源欺骗干扰[8-11]，这一类干扰信号产生需要对敌方SAR信号精准侦察，并在此基础上进行复杂调制，所以对干扰设备的要求很高且成本较大。文献[12][13]提出利用多干扰机对抗SAR双通道干扰对消技术，为多通道SAR-GMTI干扰提供了新的思路，但多个干扰机的协同工作难度较大。文献[14]提出了一种无源压制性SAR干扰方法，该方法利用旋转角反射器排布成阵，可以在SAR图像中形成大片区域干扰，对干扰设备要求低，但此方法没有针对多通道GMTI的对抗性能进行讨论。本文针对有源干扰设备的高要求和成本大的问题，提出了旋转角反射器阵列对SAR-GMTI的无源遮蔽干扰方法。

1 旋转角反射器SAR成像原理

如图1，设载机以速度v沿x轴方向直线运动，其高度为H，合成孔径长度为L，合成孔径时间为TL=L/v。

图1 旋转角反射器SAR成像几何模型Fig.1 The SAR imaging geometrical model of rotating angular reflector

(1)

(2)

式(2)中，前三项和可以看作点P处静止目标与SAR间的距离随ta变化，第四项引入固定相位误差，由于r≪Rj，所以此项对成像没有影响，第五项引入了方位向余弦调相相位，对方位向影响较大。

雷达发射的线性调频(Linear Frequency Modulation, LFM)信号可写为：

(3)

(4)

式(4)中，k=2π/λ为距离波数，μr为距离向调频率。下面以RD算法为例，推导旋转角反射器的成像表达式。

图2为合成孔径雷达的RD成像处理流程图，下面将利用RD算法推导出旋转角反射器的成像输出。

图2 SAR的RD成像处理流程Fig.2 RD imaging processing flow of SAR

图2中距离压缩前的干扰信号S1为：

(5)

1)距离压缩

回波信号进行距离压缩时，距离向参考函数为：

(6)

经距离压缩可得

(7)

2)距离徙动校正

(8)

3)方位压缩

由于慢时间域余弦调制分量可根据数学恒等式展开为

(9)

回波信号进行方位压缩时，方位向参考函数为

(10)

式(10)中，μa=-2v2/λRj为方位向调频率，忽略常数相位项，经过方位压缩，输出为方位向慢时间ta的互相关函数

(11)

由此，得到了旋转角反射器回波经过SAR成像处理后的表达式。从表达式可以看出，它的成像效果是在方位向出现多个成对像元，即一条与飞行航迹平行的线或点列，其幅度受到第一类贝塞尔函数调制。由式(11)可以得到第n阶像元方位向位置x=x0-nωav/2πμa、两像元间距Δx=-ωav/2πμa。像元个数M和所有像元方位向跨度ΔL的表达式[15]分别为：

(12)

(13)

其中，Ba为方位向多普勒带宽，Bm为转动引起的余弦相位对应的调制频带宽度。一般情况下Bm≤2Ba，所以像元方位向跨度不会超过2L。

2 旋转角反射器阵列对SAR-GMTI的无源遮蔽干扰方法

2.1 旋转角反射器布阵方式

单个旋转角反射器只有一维干扰效果，不能保护区域目标。为了用旋转角反射器产生二维干扰效果，可以在垂直于航迹方向架设多个旋转角反射器，这样在距离向上就能产生多个平行的线状条带，达到二维干扰效果。但是，SAR飞行航迹往往无法事先准确得知，若直线放置旋转角反射器，当飞机以近乎平行于旋转角反射器阵列的航迹飞过时，干扰效果就只有很窄的条带。针对这一问题，本文提出一种L形旋转角反射器布阵方式，具体布阵如图3所示。该布阵方式解决了无论何种飞行航迹，均能够产生较大的干扰区域。

图3 旋转角反射器L形布阵方式示意图Fig.3 The arrangement of rotating angular reflectors

旋转角反射器数目会影响距离向像元条带的数量，旋转角反射器摆设间距则会影响到距离向干扰的密集程度。布阵时，需要综合考虑地形、保护区域大小和预期干扰效果，从而根据实际所需保护区域的大小合理选择旋转角反射器的数目，并根据所侦测到的SAR信号参数选择合适的摆放间距，以使干扰设备数量达到最优支配。最后选择适当的有效半径和转速，这样就能达到有效的遮蔽干扰效果。

2.2 旋转角反射器阵列对SAR-GMTI的对抗性能

静止目标、杂波以及一般的无源或有源干扰在通过SAR-GMTI系统后，基本上都可以得到很好的对消，但阵列旋转角反射器产生的回波是否在通过SAR-GMTI系统后仍有好的干扰效果，这十分值得研究。SAR-GMTI采用三孔径干涉对消处理时，阵列天线采用一发三收工作模式，由沿航迹、以等间隔Da线性排列的三个接收子孔径构成[9]，由中间孔径天线发射信号，三个孔径同时接收回波信号，其几何模型如图4所示。

三通道子孔径天线沿航迹以等间隔Da排列，天线2发射信号，天线1，2，3同时接收信号。由图3可知，SAR信号经反射到三个通道的距离传播路程分别为Rj1=(Rja2+Rja1)，Rj2=2Rja2，Rj3=(Rja2+Rja3)。三个通道接收到的信号分别为式(14)所示。

图4 三通道SAR-GMTI干涉处理几何模型Fig.4 The sketch map of tri-antenna interference cancelling technique

(14)

对各通道分别进行距离压缩，可得

(15)

(16)

经多普勒中心偏差补偿，再分别进行方位向压缩，可得：

(17)

由式(17)知通道2的成像结果与式(18)一致，但由于各接收天线存在沿航迹方向的位置偏差，因而在对消前需补偿此位置偏差引起的相位偏差，相应的补偿函数为：

(18)

利用式(18)进行相位补偿后，进行杂波对消可得

(19)

对上式取模，可得到干扰通过SAR-GMTI系统后的输出幅度为式(20)：

(20)

消后的图像能量近似为：

(21)

2.3 关键干扰参数

阵列旋转角反射器干扰具有等效半径和旋转角速度两个关键指标，它们对干扰效果具有很大影响。因此需要进一步理解这些干扰参数的影响。

1)等效半径r0

根据式(11)、式(13)可知，等效半径影响成像后干扰幅度和像元方位向跨度。等效半径越小，像元方位向跨度越短，干扰幅度越大；等效半径越大，像元方位向跨度越长，干扰幅度越小。

2)旋转角速度ωa

旋转角速度影响两像元的间距和像元方位向跨度，因而会影响到方位向干扰效果的疏密程度。由第1节可知，两像元间的间距Δx=-ωav/2πμa，与旋转角速度呈线性变化关系。ωa越大，像元间距越大，像元方位向跨度越大，方位向干扰效果越稀疏；ωa越小，像元间距越小，像元方位向跨度越小，方位向干扰效果越密集。

3)旋转角反射器初始相位角φ0

3 仿真实验

为了验证理论分析的正确性和干扰的有效性，对旋转角反射器按照RD成像算法进行成像仿真。设SAR工作于正侧视，其主要实验参数如表1所示。

表1 SAR实验参数

3.1 瞬时斜距近似的可行性仿真验证

在旋转角反射器SAR成像推导过程中，式(1)和式(2)中有两处近似，下面对真实距离值和两个近似后距离值在慢时间ta从-TL/2到TL/2的变化进行仿真，结果如图5所示。

图5 真实距离值和近似距离值对比图Fig.5 The contrast between the real distance and approximate distance

图5为真实距离值和近似距离值对比图，其横坐标表示慢时间ta，纵坐标表示旋转角反射器与SAR间的距离。可见，近似距离值与真实值在任意ta时刻均相差很小，从而可以说明仿真中的近似是可行的。

3.2 各干扰参数的影响仿真

1)等效半径的影响

旋转角反射器放置于(0,10 000,0)处，取旋转角速度ωa=1.5π，等效半径r0依次为0.1 m,0.2 m,0.3 m，进行仿真实验来分析等效半径对成像的影响。图6为不同等效半径下旋转角反射器成像图，由式(13)可知，当r0=0.1 m时，所有像元跨度ΔL=54 m；当r0=0.2 m时，所有像元跨度ΔL=103 m；当r0=0.3 m时，所有像元跨度ΔL=149.17m。将图6(a)、(b)、(c)实验结果与上述理论值进行对比，实验结果与理论分析结果吻合。

2)旋转角速度的影响

根据第2节可知当ωa=π时，像元间距Δx=1.06m，所有像元跨度ΔL=66.25m；当ωa=2π时，像元间距Δx=2.12m，所有像元跨度ΔL=134.8m；当ωa=3π时，像元间距Δx=3.18m，所有像元跨度ΔL=200m。像元亮度的明暗变化是由于干扰幅度受Bessel函数调制的结果。将图7(a)-(c)结果与上述理论值进行对比，发现仿真结果与理论分析结果基本一致。

3.3 阵列旋转角反射器干扰效果

图8 干扰效果图

3.4 外场试验结果

为了更好地证明本文方法的可行性，对旋转角反射器进行了外场成像试验。试验过程中，在场景中放置一台旋转角反射器，其成像结果如图9所示。从图9(b)可以看到，在放置旋转角反射器的石子路面上出现了一条明亮的直线，再次证明了本方法的正确性。

图9 SAR成像处理结果Fig.9 The result of SAR images

4 结论

本文提出了旋转角反射器阵列对SAR-GMTI的无源遮蔽干扰方法。该方法利用旋转角反射器的微多普勒调制在方位向上形成干扰条带，通过多个旋转角反射器L形排布在距离向上形成压制干扰，由于旋转的微动特性，回波信号经GMTI处理后不能被对消，因此该方法对SAR-GMTI具有大面积遮蔽干扰效果。仿真实验表明，此方法能够对SAR-GMTI产生大面积的遮蔽干扰效果。

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A Passive Shading Jamming Method to SAR-GMTI Using Array Rotating Angular Reflectors

ZHOU Yang, FANG Mingxing, BI Daping, SHEN Aiguo

(Electronic Engineering Institute of PLA, Hefei 230037, China)

Due to the strict requirements and high expense of positive jamming equipment for SAR-GMTI systems, a passive shading jamming method againest SAR-GMTI by utilizing array rotating angular reflectors was proposed. This method used micro-Doppler modulation induced by rotating angle reflectors to form jamming strips, and used azimuth and L arrays of rotating angle reflectors to form barrage jamming. Because of the rotating micro-motion features, the jamming echo could not be cancelled by GMTI. Simulation results showed that the method could provide a big shading jamming area.

synthetic aperture radar-ground moving target indication(SAR-GMTI); rotating angular reflector; Micro-Doppler modulation; passive jamming

2016-11-17

国家自然科学基金项目资助(61171170)；总装预研基金项目资助(5133030103)

周阳(1991—)，男，江西南昌人，博士研究生，研究方向：SAR信号处理及SAR对抗理论。E-mail:zhouyanglb@163.com。

TN911

A

1008-1194(2017)02-0087-07